CN117240109A - 一种模块化多电平换流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器，模块化多电平换流器包括多个级联的换流器子模块；换流器子模块包括IGCT功率模块和IGBT功率模块；IGCT功率模块包括直流电容、第一全控型开关模块、第二全控型开关模块、缓冲电路和放电电阻；直流电容分别与放电电阻和缓冲电路并联连接；缓冲电路与串联连接的第一全控型开关模块和第二全控型开关并连接；第二全控型开关模块与IGCT功率模块的输出端并联；第一全控型开关模块和第二全控型开关模块均包括IGCT器件及与其反并联的二极管。通过在模块化多电平换流器中将IGBT功率模块和IGCT功率模块混用，提高了模块化多电平换流器的适用性和可靠性。

Description

一种模块化多电平换流器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器。

背景技术

高压直流电压源型换流器(High Voltage Direct Current Voltage SourceCon-verter，HVDC-VSC)以其调节灵活、谐波低、效率高等优点，被广泛用于可再生能源并网。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是HVDC-VSC技术的常用拓扑之一，在换流器领域具有极大的应用前景。

目前，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)以其高耐压、高通流、高开关频率、较低的开关损耗以及尚可接受的通态损耗等优势，在MMC中得到广泛应用。集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor，IGCT)将晶闸管芯片和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动单元在外围以低电感方式连接，从而同时实现了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。IGCT具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑和导通损耗低的优点，而且成本低，成品率高，在高电压大容量的变流应用具有广阔的前景。

发明内容

本发明提供了一种模块化多电平换流器，可以将IGCT功率模块与IGBT功率模块混用。

根据本发明的一方面，提供了一种模块化多电平换流器，所述模块化多电平换流器包括多个级联的换流器子模块；所述换流器子模块包括IGCT功率模块和IGBT功率模块；

所述IGCT功率模块包括直流电容、第一全控型开关模块、第二全控型开关模块、缓冲电路和放电电阻；所述直流电容分别与所述放电电阻和所述缓冲电路并联连接；所述缓冲电路与串联连接的所述第一全控型开关模块和所述第二全控型开关并连接；所述第二全控型开关模块与所述IGCT功率模块的输出端并联；所述第一全控型开关模块和所述第二全控型开关模块均包括IGCT器件及与其反并联的二极管。

可选的，所述IGCT器件的绝缘电压为V_DRM，V_DRM＞1.6*U_dc；所述IGCT器件的通态额定电流为I_T(RMS)，I_T(RMS)＞1.6*I_rms；

其中，U_dc为所述IGCT功率模块的额定工作电压，I_rms为所述IGCT功率模块的额定工作电流。

可选的，所述二极管为快恢复二极管；

所述二极管的绝缘电压为V_RRM，V_RRM＝V_DRM；所述二极管的正向平均电流为I_F(AV)，I_F(AV)＞I_rms。

可选的，所述直流电容的容值为C₀，

式中，P_dc为所述模块化多电平换流器的直流侧的功率，为所述直流电容的工作电压的平均值，ε为所述直流电容的工作电压的波动百分比，m为调制比，ω_N为角频率，n为所述模块化多电平换流器中单个桥臂的所述换流器子模块的数量，/>为有功功率和无功功率之间的功率因数角度。

可选的，所述放电电阻的阻值为R，

式中，C₀为所述直流电容的容值，t为所述IGCT功率模块停机后，所述直流电容的放电时间。

可选的，所述IGBT功率模块的闭锁态损耗为P_IGBT，所述IGCT功率模块的闭锁态损耗为P_IGCT，P_IGBT＝P_IGCT；

所述述IGCT功率模块的闭锁态损耗包括电源功率损耗和放电电阻损耗；所述电源功率放电损耗为P_IGCT-loss1，所述放电电阻损耗为

式中，为所述直流电容的工作电压的平均值，R为所述放电电阻的阻值。

可选的，所述缓冲电路包括阳极对抗器；

所述阳极对抗器的第一端分别与所述直流电容的第一端和所述放电电阻的第一端电连接；所述阳极对抗器的第二端与所述第一全控型开关模块的阳极电连接；所述第一全控型开关模块的阴极与所述第二全控型开关模块的阳极电连接；所述第二全控型开关模块的阴极分别与所述直流电容的第二端和所述放电电阻的第二端电连接；

在所述IGCT功率模块中，所述阳极电抗器所在回路的电感值为L1，

式中，U_dc为所述IGCT功率模块的额定工作电压，di/dt为所述第一全控型开关模块及所述第二全控型开关模块的电流临界变化率。

可选的，所述阳极对抗器的电感值为L0，

其中，L_loop为所述IGCT功率模块的回路杂感。

可选的，所述缓冲电路还包括钳位电阻、钳位二极管和钳位电容；

所述钳位电阻的第一端分别与所述直流电容的第一端和所述阳极对抗器的第一端电连接；所述钳位电阻的第二端分别与所述钳位电容的第一端和所述钳位二极管的阴极电连接；所述钳位二极管的阳极分别与所述阳极对抗器的第二端和所述第一全控型开关模块的阳极电连接；所述钳位电容的第二端分别与所述直流电容的第二端、所述放电电阻的第二端和所述第二全控型开关模块的阴极电连接；

所述钳位电容的容值为C_CL，3≤A≤5；

式中，I_rms为所述IGCT功率模块的额定工作电流，U_block为所述IGCT功率模块的解锁态过压阈值，t_f为所述第二全控型开关模块关断时电流的下降时间。

可选的，所述钳位电阻的阻值为R_S，3≤B≤5；

式中，T_on为所述第二全控型开关模块的导通时间。

可选的，所述钳位二极管为快恢复二极管；

所述钳位二极管的绝缘电压为V_DCL-RRM，V_DCL-RRM＝V_RRM。

可选的，所述IGCT功率模块还包括旁路开关；所述旁路开关与所述输出端电连接；

所述旁路开关的额定工作电压大于所述IGCT功率模块的解锁态过压阈值U_block；所述旁路开关的额定工作电流大于所述IGCT功率模块的额定工作电流。

本发明的技术方案，通过在模块化多电平换流器中将IGBT功率模块和IGCT功率模块混用，可以使得模块化多电平换流器同时适用于高压、高频、低频等应用场景，解决了IGBT模块电流密度低、过流保护性能不佳的问题，还可以避免仅采用IGCT模块导致开关速度慢、电压密度低等问题，提高了模块化多电平换流器的适用性和可靠性。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种模块化多电平换流器的拓扑图；

图2是本发明实施例提供的一种IGBT功率模块的拓扑图；

图3是本发明实施例提供的一种IGCT功率模块的拓扑图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1是本发明实施例提供的一种模块化多电平换流器的拓扑图，图2是本发明实施例提供的一种IGBT功率模块的拓扑图，图3是本发明实施例提供的一种IGCT功率模块的拓扑图。参考图1-图3，模块化多电平换流器01包括六个桥臂，每个桥臂分别连接交流侧端口和直流侧端口，对应的上、下两个桥臂连接同一个交流侧端口，所有上桥臂连接同一个直流侧端口，所有下桥臂连接同一个直流侧端口。每个桥臂上包括级联的多个换流器子模块02，换流器子模块02可以是IGBT功率模块021，或者，也可以是IGCT功率模块022，本发明实施例提供的模块化多电平换流器01同时包括IGBT功率模块021和IGCT功率模块022。

需要说明的是，本发明实施例仅是以模块化多电平换流器为三相六桥臂结构为例进行说明，模块化多电平换流器还可以是两相四桥臂或其他结构，本发明实施例对此不做限定。

继续参考图2，IGBT功率模块021包括直流电容C1、两个IGBT器件(T1和T2)以及分别与两个IGBT器件反并联的两个二极管(D1和D2)。IGBT功率模块021具有较高的开关速度，适用于高频操作，且IGBT功率模块制造技术比较成熟，应用比较广泛，维护成本低。但是，IGBT功率模块021受电流密度的限制，在高电流应用中需要额外的并联操作或更大的尺寸模块，不适用于高压应用。

继续参考图3，IGCT功率模块022包括直流电容C2、第一全控型开关模块041、第二全控型开关模块042、缓冲电路03和放电电阻R。第一全控型开关模块041包括IGCT器件T3及与其反并联的二极管D3，第二全控型开关模块042包括IGCT器件T4及与其反并联的二极管D4。IGCT器件T3的阳极和二极管D3的阴极均与直流电容C2的第一端、放电电阻R的第一端和缓冲电路03的第一端电连接，IGCT器件T3的阴极和二极管D3的阳极均与IGCT器件T4的阳极和二极管D3的阴极电连接，IGCT器件T4的阴极和二极管D3的阳极均与直流电容C2的第二端、放电电阻R的第二端和缓冲电路03的第二端电连接。IGCT功率模块022的输出端与第二全控型开关模块042并联连接。

具体的，当IGCT器件T3或二极管D3导通时，直流电容C2可以在IGCT功率模块022接入桥臂后充电或放电，此时IGCT功率模块022工作，在IGCT功率模块022正常工作时，直流电容C2两端的电压即为IGCT功率模块022的实际工作电压，一般为IGCT功率模块的额定工作电压。当IGCT器件T4或二极管D4导通时，此时IGCT功率模块022不工作，直流电容C2被旁路，IGCT功率模块022对模块化多电平换流器01的运行不起作用。缓冲电路03可以在IGCT功率模块022工作时，能够有效地抑制第一全控型开关模块041和/或第二全控型开关模块042上电流或者电压的上升率，保护IGCT器件不被损坏。放电电阻R可以在模块化多电平换流器01停机时，释放直流电容C的能量。

IGCT功率模块022具有较高的耐压能力，适用于高压应用，并且IGCT功率模块022能够承受较高的过电流冲击，能够提供更好的过电流保护；此外，IGCT功率模块022的开关损耗较低，适用于低频率操作。但是，IGCT功率模块022的开关速度较慢，不适用于高频操作，目前应用较少。

综上，通过在模块化多电平换流器中将IGBT功率模块和IGCT功率模块混用，可以使得模块化多电平换流器同时适用于高压、高频、低频等应用场景，解决了IGBT模块电流密度低、过流保护性能不佳的问题，还可以避免仅采用IGCT模块导致开关速度慢、电压密度低等问题，提高了模块化多电平换流器的适用性和可靠性。

在一可选的实施例，IGCT功率模块022的额定工作电压与IGBT功率模块021的额定工作电压相同，均为U_dc；IGCT功率模块022的额定工作电流与IGBT功率模块021的额定工作电流相同，均为I_rms；或者，根据实际所需的电压和功率等级，IGCT功率模块022的额定工作电压与IGBT功率模块021的额定工作电压也可以不同，IGCT功率模块022的额定工作电流与IGBT功率模块021的额定工作电流也可以不同，通过组合以实现所需的电压和功率等级，提高模块化多电平换流器01的灵活性和适用性。

为了保证IGCT器件可以在模块化多电平换流器01中正常工作，提高IGCT功率模块022的可靠性，IGCT器件(T3、T4)的绝缘电压V_DRM＞1.6*U_dc；IGCT器件(T3、T4)的通态额定电流I_T(RMS)＞1.6*I_rms；U_dc为IGCT功率模块的额定工作电压，I_rms为IGCT功率模块的额定工作电流。

其中，IGCT器件的绝缘电压V_DRM是指IGCT器件可以安全承受的电气绝缘等级，绝缘电压表示器件的绝缘性能，即在IGCT器件两端提供小于或等于该电压时，IGCT器件的绝缘材料能够有效地隔离压之间的联系。对于IGCT器件，绝缘电压该器件的绝缘部分可以承受的最高电压，超过该电压可能会导致绝缘破坏或电击等安全问题。IGCT器件的通态额定电流I_T(RMS)是指该器件在正常工作条件下可以持续承受的电流大小，也是指在特定温度和其他特定工作参数下，IGCT器件可以长时间运行的最大电流值，超过这个额定电流可能导致IGCT器件损坏或性能下降。通过设置IGCT器件的绝缘电压V_DRM＞1.6*U_dc，IGCT器件的通态额定电流I_T(RMS)＞1.6*I_rms，可以使得IGCT器件(T3、T4)工作在绝缘电压V_DRM和通态额定电流I_T(RMS)的范围内，以确保IGCT器件(T3、T4)的可靠性和安全性。

可选的，二极管(D3、D4)的绝缘电压V_RRM＝V_DRM＞1.6*U_dc，二极管(D3、D4)的正向平均电流I_F(AV)＞I_rms。

其中，二极管(D3、D4)为快恢复二极管具有较快的恢复速度，有利于IGCT功率模块022的工作状态的快速切换。二极管(D3、D4)的绝缘电压VRRM是指二极管(D3、D4)的绝缘电压VRRM在反向工作时所能承受的最大电压，超过该电压会导致二极管击穿。二极管(D3、D4)的正向平均电流I_F(AV)是指在正向通电状态下，二极管(D3、D4)可以持续传导的平均电流值，超过该电流可能引发二极管过热或损坏。

以模块化多电平换流器01为三相六桥臂结构为例，在IGCT功率模块022正常工作时，单个IGCT功率模块022的功率是进出功率模块的电压和电流的积分，单个桥臂的功率是该桥臂电压和电流的积分，每相(包括上、下两个桥臂)的功率是模块化多电平换流器01的功率的三分之一，单个桥臂储存能量的变化值为

其中，P_dc为模块化多电平换流器01的直流侧功率，m为调制比，ω_N为角频率，ω_N＝2πf，f为工作频率，一般为50Hz，为有功功率和无功功率之间的功率因数角度。

单个IGCT功率模块022的能量为直流电容C2的储存的能量，即 为直流电容C2的工作电压的平均值；直流电容C2的工作电压的波动百分比为ε，即n为模块化多电平换流器01中单个桥臂的换流器子模块02的数量，根据上述单个桥臂储存能量的变化值为ΔW(m)的公式即可得到将IGCT功率模块022的直流电容的容值设置为 使得IGCT功率模块022能够适用于模块化多电平换流器01，实现将IGBT功率模块021和IGCT功率模块022的混用。

进一步的，放电电阻R在模块化多电平换流器01停机后的t时间内完成对直流电容C2存储能量的释放，需使得放电电阻R在t时间内的放电能量大于或等于直流电容C2存储的能量，即/>

如此，可保证在模块化多电平换流器01停机后，放电电阻R可以快速将直流电容C2存储的能量释放掉，避免模块化多电平换流器01重新启动时，导致电流突变、电压异常等情况，影响模块化多电平换流器01的的运行，还可以避免将IGCT功率模块022置于危险的环境中，影响设备的性能和寿命。

在一可选的实施例中，放电电阻R包括第一放电电阻R1和第二放电电阻R2，第一电阻R1的阻值等于第二电阻R2的阻值，均为R₀，即放电电阻R的阻值为即/>

可选的，IGCT功率模块022的闭锁态损耗P_IGCT等于IGBT功率模块021的闭锁态损耗P_IGBT，IGBT功率模块022的闭锁态损耗为P_IGCT-loss1，/>为直流电容的工作电压的平均值，P_IGCT-loss1为IGCT功率模块022电源功率放电损耗，即放电电阻再根据/>可以确定放电电阻R的阻值。

如此，可以使得IGCT功率模块022的闭锁态损耗P_IGCT可以等于IGBT功率模块021的闭锁态损耗P_IGBT，以实现电流在各个换流器子模块02间的均衡分配，确保模块化多电平换流器01的性能和稳定性；还可以实现负载均衡分配，减少闭锁态下的不均衡损耗。

可选的，继续参考图3，缓冲电路03包括阳极对抗器L1；阳极对抗器L1的第一端分别与直流电容C2的第一端和放电电阻R的第一端电连接；阳极对抗器L的第二端与第一全控型开关模块041的阳极电连接；第一全控型开关模块041的阴极与第二全控型开关模块042的阳极电连接；第二全控型开关模块042的阴极分别与直流电容C2的第二端和放电电阻R的第二端电连接。IGCT功率模块22中阳极电抗器L所在回路的电感U_dc为IGCT功率模块的额定工作电压，di/dt为第一全控型开关模块41及第二全控型开关模块42的电流临界变化率。

其中，电流临界变化率是指器件所能承受的最大电流变化率，器件中的电流变化率超过电流临界变化率时，会导致器件内部感应电压较大，超过器件的耐压能力，使得器件具有额外的功率损失，且器件温度过高，容易击穿、损坏器件。

示例性的，阳极对抗器L包括电感，可以降低第一全控型开关模块041的电流临界变化率中电流的上升率，避免第一全控型开关模块041的开通过程速度过快，导致电流的变化率超过第一全控型开关模块041的电流临界变化率，损坏第一全控型开关模块041。IGCT功率模块022中阳极电抗器L所在回路的电感值可以将第一全控型开关模块041中的电流变化率限制在电流临界变化率内，保护第一全控型开关模块041和/或第二全控型开关模块042不易被损坏。

可选的，阳极对抗器L的电感值L_loop为IGCT功率模块的回路杂感。如此，在模块化多电平换流器正常工作时，可以将电流变化率限制在第一全控型开关模块41及第二全控型开关模块42的电流临界变化率，在不易损坏第一全控型开关模块41及第二全控型开关模块42的同时，保证了IGCT功率模块的开关速度，避免因阳极对抗器L的电感值L₀过大，导致阳极电抗器L所在回路的电感值L₁过大，降低了IGCT功率模块的开关速度。

在一可选的实施例中，IGCT功率模块022中阳极电抗器L所在回路的电感值di_T/dt为IGCT器件的电流临界变化率，如此，可以避免IGCT功率模块022的实际工作电压发生波动，导致变流变化率超过IGCT器件的电流临界变化率，损坏IGCT器件。

可选的，继续参考图3，缓冲电路03还包括钳位电阻R_S、钳位二极管D_CL和钳位电容C_CL；钳位电阻R_S的第一端分别与直流电容C2的第一端和阳极对抗L的第一端电连接；钳位电阻R_S的第二端分别与钳位电容C_CL的第一端和钳位二极管D_CL的阴极电连接；钳位二极管D_CL的阳极分别与阳极对抗器L的第二端和第一全控型开关模块041的阳极电连接；钳位电容C_CL的第二端分别与直流电容C2的第二端和第二全控型开关模块042的阴极电连接。

其中，钳位电容C_CL的容值为3≤A≤5，I_rms为IGCT功率模块的额定工作电流，U_block为IGCT功率模块022的解锁态过压阈值，t_f为第二全控型开关模块042关断时电流的下降时间。解锁态过压阈值U_block是指针对IGCT功率模块预设的高于额定工作电压的电压保护值，当IGCT功率模块的实际工作电压超过这个电压保护值时，系统会启动保护机制，将该IGCT功率模块022置于解锁态，此时，该IGCT功率模块022的被关闭，避免因输出过高的电压对其他功率模块或模块化多电平换流器01产生负面影响，以保护系统的正常运行。

具体的，钳位电阻R_S与阳极电抗器L并联，可以给阳极电抗器L提供通路，减小IGCT器件关断时的电压尖峰，以避免IGCT器件被关断时，阳极电抗器L被开路，使得IGCT器件上存在很大的电压尖峰，导致IGCT器件被击穿损坏。钳位二极管D_CL可以在IGCT器件导通时，阻止电流从钳位电阻R_S中流过，避免钳位电阻R_S削弱阳极电抗器L的作用。钳位电容C_CL可以在IGCT器件的开通过程中加快吸收IGCT功率模块的开通能量，避免开通能量过高，导致IGCT功率模块的实际工作电压超过解锁态过压阈值U_block。

示例性的，在开启IGCT功率模块时，由于IGCT器件具有一定的导通延迟性，需要在IGCT器件T3的开通过程中提供足够的开通能量，来克服IGCT器件T3全控型开关模块导通过程中的阻塞层的能量障碍，由此会导致IGCT功率模块的实际工作电压及钳位电容C_CL两端的电压上升，且IGCT功率模块的实际工作电压等于钳位电容C_CL两端的电压。IGCT功率模块开启时，钳位电容C_CL两端的电压上升至解锁态过压阈值U_block的时间为避免IGCT功率模块在开通过程中进入闭锁态，钳位电容C_CL两端的电压上升至解锁态过压阈值U_block的时间T_rise为第二全控型开关模块关断时，电流下降时间t_f的3-5倍，即T_rise＝A*t_f，3≤A≤5，由此可得到钳位电容/>3≤A≤5时较佳，如此，在第二全控型开关模块042关断、第一全控型开关模块041导通时，可避免IGCT功率模块在开通过程中进入闭锁态，导致IGCT功率模块无法正常工作。

可选的，钳位电阻R_S的阻值3≤B≤5，T_on为第二全控型开关模块042的导通时间。

具体的，在第二全控型开关模块042导通时，钳位电容C_CL的放电时间常数为T_RC＝R_S*C_CL，在钳位电容C_CL的放电时间常数T_RC的3-5倍的时间内，钳位电容C_CL两端的电压几乎下降至零，即为了保证钳位电容C_CL两端的电压下降到零，B*T_RC<T_on，即3≤B≤5。钳位电容C_CL放电的最大能量为阳极电抗器L存储的能量，为/>L₀为阳极对抗器L的电感值，I_rms为IGCT功率模块的额定工作电流。

可选的，钳位二极管D_CL为快恢复二极管，钳位二极管的绝缘电压为V_DCL-RRM，V_DCL-RRM＝V_RRM＞1.6*U_dc，可以具有较快的恢复速度，且不易被击穿损坏。

示例性的，第二全控型开关模块042关断时，流过钳位二极管D_CL的电流最大近似为I_rms，流过的时间为A*t_f，因此，流过钳位二极管D_CL电流的有效值为3≤A≤5，t_f为第二全控型开关模块042关断时电流的下降时间，T_s为第二全控型开关模块042的开关周期。

在一可选的实施例中，钳位二极管D_CL的正向平均电流大于I_rms，使得钳位二极管D_CL不易损坏。

可选的，继续参考图3，IGCT功率模块022还包括旁路开关S；旁路开关S与IGCT功率模块022的输出端电连接；旁路开关S的额定工作电压大于IGCT功率模块022的解锁态过压阈值U_block；旁路开关S的额定工作电流大于IGCT功率模块的额定工作电流。

其中，旁路开关S可以采用机械开关，也可以采用半导体开关等开关，本发明实施例对此不做限定。

示例性的，当IGCT功率模块022的实际工作电压大于解锁态过压阈值U_block时，旁路开关S可以正常闭合，保护IGCT功率模块022不被损坏，旁路开关S的额定工作电压大于IGCT功率模块022的解锁态过压阈值U_block，使得旁路开关S可以在较高的工作电压范围工作，一方面可以避免旁路开关S被损坏，另一方面，可以使得旁路开关S在IGCT功率模块022的实际工作电压大于解锁态过压阈值U_block时，仍可以正常工作，旁路开关S的额定工作电压可以是解锁态过压阈值U_block的1.2-1.5倍。旁路开关S的额定工作电流大于IGCT功率模块022的额定工作电流，即大于桥臂电流的有效值，如此，可保证旁路开关S不易被损坏，并且可以在模块化多电平换流器中有效工作。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种模块化多电平换流器，其特征在于，所述模块化多电平换流器包括多个级联的换流器子模块；所述换流器子模块包括IGCT功率模块和IGBT功率模块；

所述IGCT功率模块包括直流电容、第一全控型开关模块、第二全控型开关模块、缓冲电路和放电电阻；所述直流电容分别与所述放电电阻和所述缓冲电路并联连接；所述缓冲电路与串联连接的所述第一全控型开关模块和所述第二全控型开关并连接；所述第二全控型开关模块与所述IGCT功率模块的输出端并联；所述第一全控型开关模块和所述第二全控型开关模块均包括IGCT器件及与其反并联的二极管。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述IGCT器件的绝缘电压为V_DRM，V_DRM＞1.6*U_dc；所述IGCT器件的通态额定电流为I_T(RMS)，I_T(RMS)＞1.6*I_rms；

其中，U_dc为所述IGCT功率模块的额定工作电压，I_rms为所述IGCT功率模块的额定工作电流。

3.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述二极管为快恢复二极管；

所述二极管的绝缘电压为V_RRM，V_RRM＝V_DRM；所述二极管的正向平均电流为I_F(AV)，I_F(AV)＞I_rms。

4.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述直流电容的容值为C₀，

式中，P_dc为所述模块化多电平换流器的直流侧的功率，为所述直流电容的工作电压的平均值，ε为所述直流电容的工作电压的波动百分比，m为调制比，ω_N为角频率，n为所述模块化多电平换流器中单个桥臂的所述换流器子模块的数量，/>为有功功率和无功功率之间的功率因数角度。

5.根据权利要求4所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述放电电阻的阻值为R，

式中，C₀为所述直流电容的容值，t为所述IGCT功率模块停机后，所述直流电容的放电时间。

6.根据权利要求4所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述IGBT功率模块的闭锁态损耗为P_IGBT，所述IGCT功率模块的闭锁态损耗为P_IGCT，P_IGBT＝P_IGCT；

所述述IGCT功率模块的闭锁态损耗包括电源功率损耗和放电电阻损耗；所述电源功率放电损耗为P_IGCT-loss1，所述放电电阻损耗为

式中，为所述直流电容的工作电压的平均值，R为所述放电电阻的阻值。

7.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述缓冲电路包括阳极对抗器；

所述阳极对抗器的第一端分别与所述直流电容的第一端和所述放电电阻的第一端电连接；所述阳极对抗器的第二端与所述第一全控型开关模块的阳极电连接；所述第一全控型开关模块的阴极与所述第二全控型开关模块的阳极电连接；所述第二全控型开关模块的阴极分别与所述直流电容的第二端和所述放电电阻的第二端电连接；

在所述IGCT功率模块中，所述阳极电抗器所在回路的电感值为L₁，

式中，U_dc为所述IGCT功率模块的额定工作电压，di/dt为所述第一全控型开关模块及所述第二全控型开关模块的电流临界变化率。

8.根据权利要求7所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述阳极对抗器的电感值为L₀，

其中，L_loop为所述IGCT功率模块的回路杂感。

9.根据权利要求7所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述缓冲电路还包括钳位电阻、钳位二极管和钳位电容；

所述钳位电阻的第一端分别与所述直流电容的第一端和所述阳极对抗器的第一端电连接；所述钳位电阻的第二端分别与所述钳位电容的第一端和所述钳位二极管的阴极电连接；所述钳位二极管的阳极分别与所述阳极对抗器的第二端和所述第一全控型开关模块的阳极电连接；所述钳位电容的第二端分别与所述直流电容的第二端、所述放电电阻的第二端和所述第二全控型开关模块的阴极电连接；

所述钳位电容的容值为C_CL，3≤A≤5；

式中，I_rms为所述IGCT功率模块的额定工作电流，U_block为所述IGCT功率模块的解锁态过压阈值，t_f为所述第二全控型开关模块关断时电流的下降时间。

10.根据权利要求9所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述钳位电阻的阻值为R_S，3≤B≤5；

式中，T_on为所述第二全控型开关模块的导通时间。

11.根据权利要求9所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述钳位二极管为快恢复二极管；

所述钳位二极管的绝缘电压为V_DCL-RRM，V_DCL-RRM＝V_RRM。

12.根据权利要求9所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述IGCT功率模块还包括旁路开关；所述旁路开关与所述输出端电连接；

所述旁路开关的额定工作电压大于所述IGCT功率模块的解锁态过压阈值U_block；所述旁路开关的额定工作电流大于所述IGCT功率模块的额定工作电流。